溫度傳感器S型熱電偶測(cè)溫電路設(shè)計(jì).

摘要:針對(duì)航天領(lǐng)域環(huán)境溫度測(cè)量寬量程、精度高的需求，提出一種基于溫度傳感器進(jìn)行冷端補(bǔ)償?shù)?strong>S型熱電偶測(cè)量電路,該電路由S型熱電偶溫度傳感器信號(hào)調(diào)理電路和采樣量化電路兩部分組成。利用溫度傳感器AD590的輸出電流產(chǎn)生補(bǔ)償電動(dòng)勢(shì),以補(bǔ)償s型熱電偶冷端溫度,實(shí)現(xiàn)其測(cè)點(diǎn)絕對(duì)溫度的測(cè)量;通過S型熱電偶輸出電動(dòng)勢(shì)與測(cè)量溫度在分段線性擬合和全量程線性擬合兩種算法下的線性度比較，S型熱電偶測(cè)量時(shí)的非線性誤差采用分段線性擬合校正算法。對(duì)測(cè)量電路進(jìn)行多次試驗(yàn),結(jié)果表明,該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)的溫度測(cè)量范圍為0~1600℃,全溫度范圍測(cè)量精度+0.2%。電路經(jīng)工程應(yīng)用驗(yàn)證,測(cè)量結(jié)果符合環(huán)境變化情況。
0引言
      在航天領(lǐng)域溫度測(cè)量中往往需要采集較高的溫度并且對(duì)溫度采集的精度要求較高，在接觸式測(cè)溫法中，熱電偶的應(yīng)用普遍。S型熱電偶的測(cè)量溫度范圍為0~1600℃,可以滿足對(duì)高溫的測(cè)量需求。熱電偶的工作原理為熱電效應(yīng)，即熱電偶的冷端和熱端處于不同的溫度場(chǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì),然而熱電偶冷端溫度的變化會(huì)導(dǎo)致溫度采集精度下降[2]。針對(duì)目前S型熱電偶暫無專用冷端補(bǔ)償集成放大器的情況,本文從使用溫度傳感器對(duì)S型.熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償人手，設(shè)計(jì)了S型熱電偶測(cè)溫電路,并使用相關(guān)的儀器設(shè)備對(duì)電路進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了該電路的可靠性。
1電路整體設(shè)計(jì)
      該測(cè)溫電路主要包括兩部分,分別為信號(hào)調(diào)理電路和采樣量化電路。其中信號(hào)調(diào)理電路的主要作用是對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波、補(bǔ)償和放大，采樣量化電路的主要作用是將已調(diào)理的電壓信號(hào)量化為數(shù)字量以供后續(xù)的軟件處理，電路整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2硬件設(shè)計(jì)
2.1信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)
S型熱電偶測(cè)溫電路設(shè)計(jì)是基于消除射頻干擾(RFI)以及S型熱電偶冷端自動(dòng)補(bǔ)償功能的實(shí)現(xiàn)為核心的。
2.1.1RFI濾波電路設(shè)計(jì)
      RFI濾波電路目的是消除熱電偶在采集溫度時(shí)拾取的高頻噪聲，例如生活中的WiFi信號(hào)和手機(jī)信號(hào)對(duì)于熱電偶采集的溫度信號(hào)都屬于高頻噪聲[3]。如果不將熱電偶長(zhǎng)引線所帶來的高頻噪聲濾除掉,噪聲進(jìn)人到儀表放大器,就會(huì)被儀表放大器整流從而產(chǎn)生直流輸出失調(diào)誤差,并且在后續(xù)的濾波電路中無法消除而導(dǎo)致溫度采集的精度降低[4]。RFI濾波電路如圖2所示。
      RFI濾波電路由兩個(gè)對(duì)稱的一階RC濾波電路構(gòu)成，為保證RFI濾波電路在高頻段工作的可靠性,需要對(duì)R/C2和R2/C3的值進(jìn)行嚴(yán)格匹配。其中R1和R2選擇7.5k92/1%的電阻,C2和C3選擇容值為10nF的電容器。為降低由于兩個(gè)RC濾波電路不匹配造成的RFI濾波電路的共模抑制比(CMRR)降低,需保證C1≥10C2,C1選擇100nF的電容。

      該RFI濾波電路可以對(duì)頻率大于101.1Hz的差模頻率和頻率大于2.12kHz的共模頻率具有較好的抑制作用。
2.1.2冷端自動(dòng)補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)
      S型熱電偶的熱電性能好，抗氧化性強(qiáng)，可以在氧化性介質(zhì)中連續(xù)使用，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)輸出與熱電偶的熱端和冷端的溫度差成正比5]。由于熱電偶的冷端在通常情況下暴露在空氣中，冷端的溫度不恒定會(huì)對(duì)熱電偶測(cè)溫精度造成較大影響[6-7]。針對(duì)目前S型熱電偶暫無專用冷端補(bǔ)償集成放大器的情況，設(shè)計(jì)了基于溫度傳感器的S型熱電偶冷端補(bǔ)償電路。
在此次設(shè)計(jì)中選用溫度傳感器AD590,AD590是一款半導(dǎo)體集成溫度傳感器,輸出電流與絕對(duì)溫.度成正比,由于AD590的寬電壓輸人范圍以及高輸入阻抗，使得AD590可以很好地抑制電源電壓漂移和紋波對(duì)測(cè)溫電路的影響，基于AD590的冷端補(bǔ)償電路如圖3所示[8]。

      圖3所示的AD590冷端補(bǔ)償電路中，為保證溫度傳感器AD590可以實(shí)現(xiàn)在室溫下對(duì)S型熱電偶完成冷端補(bǔ)償，設(shè)計(jì)加入了由穩(wěn)壓電壓源AD580提供的參考電壓Vrefo當(dāng)補(bǔ)償電流Ic經(jīng)過Rc時(shí)可以產(chǎn)生補(bǔ)償電壓Uc,即:
Uc=UM-Vref(3)
S型熱電偶輸出熱電勢(shì)為:
EAB(MJ,tRJ)=eAB(M])-eAB(tRJ)(4)
進(jìn)入儀表放大器的電壓為:
UIN=Uc+EAB(tMJ,tRJ)(5)
當(dāng)進(jìn)入儀表放大器的電壓為熱電偶測(cè)量節(jié)點(diǎn)的熱電勢(shì)時(shí)，即Uc-eAB(R)=0,此時(shí)該補(bǔ)償電路已完全補(bǔ)償。
根據(jù)節(jié)點(diǎn)電壓法電壓UM為:

      對(duì)該補(bǔ)償電路進(jìn)行室溫即25℃進(jìn)行補(bǔ)償,只有當(dāng)補(bǔ)償電壓對(duì)溫度的變化率與S型熱電偶在25℃的熱電勢(shì)率相等時(shí)，該電路即可實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償,則:

      其中S型熱電偶在25℃時(shí)的熱電勢(shì)率為6×.10^-6V/℃C,S型熱電偶在25℃時(shí)的輸出熱電勢(shì)為0.143mV,AD590在25℃時(shí)的輸出電流為298μA,參考電壓Vrer=2.5V,聯(lián)立上式可得當(dāng)Rc=6.0042,R=9111.894Ω時(shí)可完全補(bǔ)償。
      此時(shí)若冷端所處的溫度為25℃時(shí),此時(shí)補(bǔ)償電壓Uc=0.143mV,等于S型熱電偶在25℃時(shí)的輸出熱電勢(shì)。
2.1.3增益調(diào)整電路
      熱電偶的輸出熱電勢(shì)較小，在經(jīng)過補(bǔ)償后輸出電壓不一定滿足后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電壓輸人范圍,需要將電壓調(diào)理至合適的范圍。S型熱電偶的測(cè)溫范圍為0~1600℃,對(duì)應(yīng)S型熱電偶的熱電勢(shì)輸出范圍為0~18.612mV,而后續(xù)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的電壓輸人范圍為0~2.048V。在此設(shè)計(jì)中選用AD8227對(duì)S型熱電偶信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整以滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換.芯片的電壓輸人范圍,AD8227是一種寬電壓輸入范圍,軌到軌輸出的儀表放大器,可通過調(diào)整外部電阻對(duì)芯片的增益范圍進(jìn)行調(diào)整[9]。根據(jù)AD8227的輸出電壓公式:.

其中Rc為AD8227的外部配置電阻。假設(shè)熱電偶信號(hào)經(jīng)增益調(diào)整后最大輸出電壓為1.9V,可計(jì)算得外部配置電阻的大小為781Ω。
2.2采樣量化模塊設(shè)計(jì)
      S型熱電偶信號(hào)通過補(bǔ)償、增益調(diào)整之后輸出為模擬量,模擬量只有轉(zhuǎn)化為數(shù)字量才可以被后續(xù)的軟件處理,將熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量的過程稱之為采樣量化。主控制器FPGA通過控制模數(shù)轉(zhuǎn).換芯片，對(duì)輸人的模擬信號(hào)依次采樣量化。采樣量化電路主要包括分壓跟隨電路和抗混疊濾波電路,分壓跟隨電路用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸人信號(hào)緩沖作用,抗混疊濾波電路可以有效地抑制反沖噪聲和帶外噪聲[10],電路如圖4所示。

3S型熱電偶標(biāo)定方法研究
      S型熱電偶在全量程范圍內(nèi)輸出電壓與溫度信號(hào)不具有線性關(guān)系，僅在某些特定的溫度范圍內(nèi)具有線性關(guān)系叫。例如S型熱電偶在0℃時(shí)的微分熱電勢(shì)為5.40μV/9C,在1600℃時(shí)增加至12.36μV/℃。如圖5所示為S型熱電偶分度表線性擬合的結(jié)果。S型熱電偶分別在0~250℃范圍、200~1200℃范圍、1200~16009℃范圍和全范圍內(nèi)的線性相關(guān)系數(shù)為0.99622,0.99842,0.99999,0.9954。

      由圖5可知，S型熱電偶在全量程范圍內(nèi)線性度較差，而將S型熱電偶分度值進(jìn)行分段線性擬合的線性度優(yōu)于整體擬合的線性度。為提高S型熱電偶測(cè)溫的精度，將S型熱電偶測(cè)溫區(qū)間進(jìn)行分段擬合,線性擬合后的線性度可達(dá)0.9999。分段多項(xiàng)式線性擬合的系數(shù)如表1所示，其中溫度與熱電勢(shì)關(guān)系可以表示為:

4試驗(yàn)結(jié)果及誤差分析
      對(duì)標(biāo)定后的S型熱電偶測(cè)溫電路測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。對(duì)測(cè)試結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),測(cè)量所得到的溫度與實(shí)際溫度的誤差不是恒為正誤差或恒為負(fù)誤差。導(dǎo)致這種情況的原因可能是擬合過程所帶來誤差以及元器件的非線性所帶來的誤差[12]。為減小熱電偶標(biāo).定后所帶來的擬合誤差,分別對(duì)0~250℃、250~1200℃和1200~1600℃擬合函數(shù)增加校準(zhǔn)系數(shù)△即:

其中△為：


      在0~250℃測(cè)溫區(qū)間最大正誤差為1.2℃,最大負(fù)誤差為-0.7℃,添加校準(zhǔn)系數(shù)01=0.25℃。
      同理在250~1200℃測(cè)溫區(qū)間添加校準(zhǔn)系數(shù)△2=0.1℃,在1200~1600℃測(cè)溫區(qū)間添加校準(zhǔn)系數(shù)△3=-0.4℃。
      對(duì)于0~250℃溫度采集最大擬合誤差由+1.2℃降低至+0.95℃,對(duì)于250~1200℃溫度采集最大擬合誤差由+1.1℃降低至+19℃,對(duì)于1200~1600℃溫度采集最大擬合誤差由+1.6℃降低至+1.2℃。
使用超級(jí)恒溫油槽(GHY-3005)以及管式爐(SGL1700C)對(duì)校準(zhǔn)后的S型熱電偶測(cè)溫電路進(jìn)行誤差精度驗(yàn)證，并且在溫度測(cè)量端接入Omega公司的手持式K型熱電偶溫度傳感器。在超級(jí)恒溫油槽為25℃時(shí)標(biāo)準(zhǔn)傳感器測(cè)得溫度為24.9℃,在管式爐為500℃和1200℃時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)溫度傳感器所測(cè)溫度分別為500.5℃和1200.4℃。該S型熱電偶測(cè)溫電路實(shí)際測(cè)得的溫度如圖6所示，縱坐標(biāo)為測(cè)量溫度,橫坐標(biāo)為時(shí)間。
      由圖6可知測(cè)量溫度在24.9℃，500.5℃,1200.4℃時(shí)的最大誤差分別為±0.5℃,±1℃,±0.8℃。滿足溫度測(cè)量精度優(yōu)于±0.2%的要求。

5結(jié)束語.
      本文設(shè)計(jì)了一種S型熱電偶測(cè)溫電路,詳細(xì)介紹了使用溫度傳感器對(duì)S型熱電偶進(jìn)行冷端自動(dòng)補(bǔ)償和RFI濾波的工作原理。經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證表明該測(cè)溫電路可針對(duì)S型熱電偶實(shí)現(xiàn)全范圍的自動(dòng)冷端補(bǔ)償,測(cè)溫準(zhǔn)確度優(yōu)于±0.2%,有效地解決了S型熱電偶暫無專用冷端補(bǔ)償集成放大器導(dǎo)致S型熱電偶溫度采集精度較低的問題。該測(cè)量系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于RF高頻強(qiáng)干擾、采集溫度要求高、測(cè)溫精度要求較高的工程測(cè)溫環(huán)境中。